CN104201414B - 锂离子电池及其制备方法和锂离子电池的充电方法 - Google Patents
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Abstract
一种锂离子电池,包括正极、负极、电解液及位于正极和负极之间的隔膜,正极、负极及隔膜浸泡于电解液中,隔膜包括依次层叠的第一有机物层、第一混合物层、基体、第二混合物层和第二有机物层,其中,第一有机物层和第二有机物层为多孔结构,第一有机物层和第二有机物层的材料均为聚偏氟乙烯,第一混合物层和第二混合物层的材料均为聚偏氟乙烯和氧化物的混合物,氧化物选自氧化铝、氧化锆及二氧化钛中的至少一种。上述锂离子电池具有较好的循环性能和安全性能。此外,还提供一种锂离子电池的制备方法及锂离子电池的充电方法。
Description
技术领域
本发明属于电池领域,尤其涉及一种锂离子电池及其制备方法和锂离子电池的充电方法。
背景技术
随着智能手机和平板电脑的出现,人们对锂离子电池的容量要求越来越高,要求电池的使用时间越来越长。然而,在有限容量的电池壳体下,电池的电容量越高,电池的循环就会越差。
一般地,开发高容量电池的方法是将锂离子电池负极片压实和使用高能量密度材料,但是负极片压实后,负极片表面的空隙就很少,电解液就很难浸润到极片内部去,严重影响锂离子电池的保液量;且导致电解液的渗透的速度太慢,造成电池化成时浓差极化非常大,严重影响锂离子电池的循环性能。
由于高能量密度锂离子电池的负极普遍压实和面密度较高,造成电解液渗透不足或固体电解质界面膜(SEI)没有完全形成,而造成电池循环性能变差,特别是高能量密度的圆柱锂离子电池,这在很大程度上制约了高能量密度电池的应用。
发明内容
鉴于此,有必要提供一种循环性能较好的锂离子电池。
此外,还提供一种锂离子电池的制备方法和锂离子电池的充电方法。
一种锂离子电池,包括正极、负极、电解液及位于所述正极和负极之间的隔膜,所述正极、负极及隔膜浸泡于所述电解液中,所述隔膜包括依次层叠的第一有机物层、第一混合物层、基体、第二混合物层和第二有机物层,其中,所述第一有机物层和所述第二有机物层为多孔结构,所述第一有机物层和所述第二有机物层的材料均为聚偏氟乙烯,所述第一混合物层和所述第二混合物层的材料均为聚偏氟乙烯和氧化物的混合物,所述氧化物选自氧化铝、氧化锆及二氧化钛中的至少一种。
在其中一个实施例中,所述第一混合物层的材料中所述氧化物和所述聚偏氟乙烯的质量比为5~15:1;所述第二混合物层的材料中所述氧化物和所述聚偏氟乙烯的质量比为5~15:1。
在其中一个实施例中,所述第一有机物层的厚度为1微米~5微米;所述第二有机物层的厚度为1微米~5微米;所述第一混合物层的厚度为1微米~5微米;所述第二混合物层的厚度为1微米~5微米。
在其中一个实施例中,所述正极材料包括正极活性材料,所述正极活性材料为改性钴酸锂,所述改性钴酸锂为氧化镁和氧化锆中的一种包裹的镁或铝掺杂的钴酸锂。
在其中一个实施例中,所述电解液包括电解质、溶剂、成膜剂及过充添加剂,所述电解质选自LiPF6、LiN(SO2CF3)2和LiBOB中的至少一种,所述溶剂选自碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯中的至少两种,所述成膜剂选自碳酸亚乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、亚硫酸丙烯酯和碳酸乙烯亚乙酯中的至少一种,所述过充添加剂选自联苯和环己基苯中的至少一种。
一种锂离子电池的制备方法,包括如下步骤:
在基体的相对的两个表面分别涂覆形成第一混合物层和第二混合物层,所述第一混合物层和所述第二混合物层的材料均为聚偏氟乙烯和氧化物的混合物,所述氧化物选自氧化铝、氧化锆及二氧化钛中的至少一种;
分别在所述第一混合物层和所述第二混合物层上涂覆形成多孔的第一有机物层和多孔的第二有机物层,得到隔膜,其中,所述第一有机物层和所述第二有机物层的材料均为聚偏氟乙烯;及
将正极、所述隔膜及负极依次贴合组装后浸泡于电解液中,得到锂离子电池。
在其中一个实施例中,在所述基体的相对的两个表面分别涂覆形成所述第一混合物层和所述第二混合物层的步骤具体为:
将聚偏氟乙烯溶解于有机溶剂中,得到质量百分浓度为3%~5%的聚偏氟乙烯的有机溶液;
在所述聚偏氟乙烯的有机溶液中加入所述氧化物,且所述氧化物与所述聚偏氟乙烯的质量比为5~15:1,得到混合浆料;及
在所述基体的相对的两个表面分别涂覆所述混合浆料,经干燥去除所述有机溶剂,分别得到所述第一混合物层和所述第二混合物层。
在其中一个实施例中,分别在所述第一混合物层和所述第二混合物层上涂覆形成所述第一有机物层和所述第二有机物层的步骤具体为:
将聚偏氟乙烯溶解于丙酮中,并加入造孔剂,得到混合料;及
在所述第一混合物层和所述第二混合物层上分别涂覆所述混合料,经干燥去除所述丙酮和所述造孔剂,分别得到所述第一有机物层和所述第二有机物层。
在其中一个实施例中,还包括所述正极的制备步骤和所述负极的制备步骤,所述正极的由以下步骤制备:将正极粘结剂溶解于正极溶剂中,得到正极母液,所述正极母液中的所述正极粘结剂的质量百分含量为5%~10%;然后在所述正极母液中加入正极导电剂和所述改性钴酸锂,得到正极浆料,所述改性钴酸锂为氧化镁和氧化锆中的一种包裹的镁或铝掺杂的钴酸锂;接着,将所述正极浆料涂覆于正极集流体上,经干燥,得到所述正极;
所述负极由以下步骤制备:将增稠剂溶解于水中,得到负极母液,所述负极母液中的所述增稠剂的质量百分含量为0.5%~5%;在所述负极母液中加入负极导电剂、负极活性材料及负极粘结剂,得到负极浆料,所述负极活性材料选自天然石墨、人造石墨和硅碳复合材料中的至少一种,所述负极导电剂选自导电碳纤维、导电石墨、导电炭黑、碳纳米管、石墨烯和乙炔黑中的至少一种,所述负极粘结剂选自聚氧乙烯和丁苯橡胶中的一种,所述增稠剂为羧甲基纤维素钠;接着,将所述负极浆料涂覆于负极集流体上,经干燥,得到所述负极。
一种锂离子电池的充电方法,将上述锂离子电池先恒流充电至终止电压为4.2~4.4V,再恒压充电至终止电流为0~0.02C。
上述锂离子电池的隔膜包括依次层叠第一有机物层、第一混合物层、基体、第二混合物层和第二有机物层,且第一有机物层和第二有机物层为多孔结构,第一有机物层和第二有机物层的材料均为聚偏氟乙烯,使得第一有机物层和第二有机物层能够增加电解液在隔膜上的停留时间,以使电解液能充分从负极的表面扩展到负极的内部,减小了因浓度差带来的极化,从而能够有效地改善高能量密度的锂离子电池因过度压实而导致的渗透不足,而造成固体电解质界面膜(SEI)没有完全形成致使电池循环性能变差的问题;第一混合物层和第二混合物层的材料均为聚偏氟乙烯和氧化物的混合物,且氧化物选自氧化铝、氧化锆及二氧化钛中的至少一种,上述材料的第一混合物层和第二混合物层具有较大的容液量,且上述材料的第一混合物层和第二混合物层具有很强的电解液亲和能力,能加速电解液吸收,增加纳液量,均化电解液渗透情况,因此能够提高保持电解液的能力,进一步增加了电解液在隔膜上的停留时间,改善了浓差极化,从而改善了锂离子电池的循环性能,因此,上述锂离子电池具有较好的循环性能。
附图说明
图1为一实施方式的锂离子电池的隔膜的结构示意图;
图2为一实施方式的锂离子电池的制备方法的流程图;
图3为图2所示的锂离子电池的制备方法中的第一混合物层和第二混合物层的制备步骤的流程图;
图4为图2所示的锂离子电池的制备方法中的第一有机物层和第二有机物层的制备步骤的流程图。
具体实施方式
下面主要结合附图及具体实施方式对锂离子电池及其制备方法和锂离子电池的充电方法作进一步详细的说明。
一实施方式的锂离子电池,包括正极、负极、电解液及位于正极和负极之间的隔膜,正极、负极及隔膜浸泡于电极液中。
正极材料包括正极活性材料、正极粘结剂及正极导电剂。
进一步的,正极活性材料为改性钴酸锂,该改性钴酸锂为氧化镁和氧化锆中的一种包裹的镁或铝掺杂的钴酸锂。即改性钴酸锂为氧化镁和氧化锆中的一种包裹的铝掺杂的钴酸锂,或者改性钴酸锂为氧化镁和氧化锆中的一种包裹的镁掺杂的钴酸锂。
其中,改性钴酸锂通过如下方法制备得到:将硝酸钴、硝酸锂和硝酸盐按照质量比为1:1:0.1~0.5溶解于质量百分浓度为40%~60%的柠檬酸的水溶液中,得到溶胶,其中,硝酸盐为硝酸铝或硝酸镁;然后将上述溶胶于100~120℃烘干,得到凝胶,经研磨后,于800~900℃下烧结10~12小时,得到掺杂钴酸锂;再将聚丙烯酸溶解于去离子水中,得到聚丙烯酸的水溶液,在该聚丙烯酸的水溶液中加入碳酸盐,得到透明溶液,其中,透明溶液中的羧基与碳酸盐中的阳离子的摩尔比为2.4~2.5:1.0,碳酸盐为碳酸镁或碳酸锆;按照掺杂钴酸锂中的锂和碳酸盐中的阳离子的摩尔比为1:0.002~0.005,将掺杂钴酸锂加入上述透明溶液中,得到浆状物;接着,于60~70℃除去水和聚丙烯酸,再于在500~600℃烘烤10~12小时,得到改性钴酸锂,即为上述氧化镁和氧化锆中的一种包裹的镁或铝掺杂的钴酸锂。该改性钴酸锂具有较好的结构稳定性,在高电压下仍然能够保持结构稳定,从而有利于提高了锂离子电池在高电压下的循环性能。
正极粘结剂可以为常用的粘结剂,优选为聚偏氟乙烯。
正极导电剂可以为本领域常用的导电剂,优选为碳纳米管。
进一步的,在正极材料中,正极活性材料的质量百分含量为93%~99%,正极粘结剂的质量百分含量0.5%~5%,正极导电剂的质量百分含量为0.5%~2%。
负极材料包括负极活性材料、负极导电剂、负极粘结剂和增稠剂。
其中,负极活性材料选自天然石墨、人造石墨和硅碳复合材料中的至少一种。
负极导电剂选自导电碳纤维、导电石墨、导电炭黑、碳纳米管、石墨烯和乙炔黑中的至少一种。其中,负极导电剂优选导电炭黑。
负极粘结剂选自聚氧乙烯和丁苯橡胶中的一种。
增稠剂为羧甲基纤维素钠。
进一步的,在负极材料中,负极活性材料的质量百分含量为88%~98%,增稠剂的质量百分含量为0.5%~5%,负极粘结剂的质量百分含量为1%~5%,负极导电剂的质量百分含量为0.5%~2%。
如图1所示,隔膜100包括依次层叠的第一有机物层110、第一混合物层120、基体130、第二混合物层140和第二有机物层150。
第一有机物层110的材料为聚偏氟乙烯。具体的,第一有机物层110为多孔结构。
进一步的,第一有机物层110的厚度为1微米~5微米。
第一混合物层120的材料为聚偏氟乙烯和氧化物的混合物。其中,氧化物选自氧化铝、氧化锆及二氧化钛中的至少一种。
进一步的,第一混合物层120的厚度为1微米~5微米。
进一步的,第一混合物层120的材料中氧化物和聚偏氟乙烯的质量比为5~15:1。
基体130可以为本领域常用的隔膜基体。具体在本实施例中,优选为PE(聚乙烯)基体。
第二混合物层140的材料为聚偏氟乙烯和氧化物的混合物。其中,氧化物选自氧化铝、氧化锆及二氧化钛中的至少一种。
进一步的,第二混合物层140的材料中氧化物和聚偏氟乙烯的质量比为5~15:1。
进一步的,第二混合物层140的厚度为1微米~5微米。
第二有机物层150的材料为聚偏氟乙烯。具体的,第二有机物层150为多孔结构。
进一步的,第二有机物层150的厚度为1微米~5微米。
电解液包括电解质、溶剂、成膜剂及过充添加剂。其中,电解质为LiPF6、LiN(SO2CF3)2和LiBOB中的至少一种;溶剂为碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸二甲酯(DMC)和碳酸甲乙酯(EMC)中的至少两种;成膜剂选自碳酸亚乙烯酯(VC)、氟代碳酸乙烯酯(FEC)、亚硫酸丙烯酯(PS)和碳酸乙烯亚乙酯(VEC)中的至少一种;过充添加剂选自联苯(BP)和环己基苯(CHB)中的至少一种。该电解液能够保证锂离子电池在大于或者等于4.35V的电压下不会分解。
上述成膜剂能够在负极表面形成SEI膜,并防止溶剂化Li+嵌入负极活性材料中,造成负极活性材料(例如,石墨)结构的损坏,并可以改善锂离子电池的循环性能。而上述过充添加剂可以在较高的电压下形成聚合物以阻断电化学反应的进行,从而在滥用条件下提高锂离子电池的安全性。
进一步的,在电解液中,电解质的体积百分浓度为0.5%~1.5%。
进一步的,在电解液中,成膜剂的体积百分浓度为0.01%~2%;过充添加剂的体积百分浓度为0.01%~2%。
上述锂离子电池的隔膜100包括依次层叠第一有机物层110、第一混合物层120、基体130、第二混合物层140和第二有机物层150,且第一有机物层110和第二有机物层150为多孔结构,第一有机物层110和第二有机物层150的材料均为聚偏氟乙烯,使得第一有机物层110和第二有机物层150能够增加电解液在隔膜100上的停留时间,以使电解液能充分从负极的表面扩展到负极的内部,减小了因浓度差带来的极化,从而能够有效地改善高能量密度的锂离子电池因过度压实而导致的渗透不足,而造成固体电解质界面膜(SEI)没有完全形成致使电池循环性能变差的问题;第一混合物层120和第二混合物层140的材料均为聚偏氟乙烯和氧化物的混合物,且氧化物选自氧化铝、氧化锆及二氧化钛中的至少一种,上述材料的第一混合物层和第二混合物层具有较大的容液量,且上述材料的第一混合物层120和第二混合物层140具有很强的电解液亲和能力,能加速电解液吸收,增加纳液量,均化电解液渗透情况,因此能够提高保持电解液的能力,进一步增加了电解液在隔膜100上的停留时间,改善了浓差极化,从而改善了锂离子电池的循环性能,因此,上述锂离子电池具有较好的循环性能。
由于上述材料的第一混合物层120和第二混合物层140的分解温度高达300℃,具有较强的耐高温性能,使得第一混合物层120和第二混合物层140能够在超过基体130熔点的温度中依然保持稳定的支撑结构,由于基体130在高温下热熔闭孔,在锂离子电池热失控时切断电池内部离子导通,而第一混合物层120和第二混合物层140保持结构的稳定以确保正极和负极保持隔离,防止锂离子电池反应持续恶化;且第一混合物层120和第二混合物层140使整个隔膜具有更好地抗穿刺性能,能够在一定程度下抵御锂枝晶的刺穿,减少电池内短路潜在隐患。即上述第一混合物层120和第二混合物层140还能够提高隔膜100在高温下的尺寸的稳定性,使得隔膜100具有更好地机械强度,从而提高了锂离子电池的安全性能。
如图2所示,一实施方式的锂离子电池的制备方法,可用于制备上述锂离子电池,该锂离子电池的制备方法包括如下步骤:
步骤S210:在基体的相对的两个表面分别涂覆形成第一混合物层和第二混合物层。其中,第一混合物层和第二混合物层的材料均为聚偏氟乙烯和氧化物的混合物,氧化物选自氧化铝、氧化锆及二氧化钛中的至少一种。
进一步的,如图3所示,在基体的相对的两个表面分别涂覆形成第一混合物层和第二混合物层的步骤具体为:
步骤S212:将聚偏氟乙烯溶解于有机溶剂中,得到质量百分浓度为3%~5%的聚偏乙烯的有机溶液。其中,步骤S212中的有机溶剂为丙酮或N-甲基-2-吡咯烷酮。
步骤S214:在聚偏氟乙烯的有机溶液中加入氧化物,且氧化物与聚偏氟乙烯的质量比为5~15:1,得到混合浆料。
步骤S216:在基体的相对的两个表面分别涂覆混合浆料,经干燥去除有机溶剂,分别得到第一混合物层和第二混合物层。
其中,基体可以为本领域常用的隔膜支撑体。具体在本实施例中,基体优选为PE(聚乙烯)基体。
进一步的,第一混合物层的厚度为1微米~5微米。
进一步的,第二混合物层的厚度为1微米~5微米。
步骤S220:分别在第一混合物层和第二混合物层上涂覆形成多孔的第一有机物层和多孔的第二有机物层,得到隔膜。其中,第一有机物层和第二有机物层的材料均为聚偏氟乙烯。
如图4所示,分别在第一混合物层和第二混合物层上涂覆形成第一有机物层和第二有机物层的步骤具体为:
步骤S222:将聚偏氟乙烯溶解于有机溶剂中,并加入造孔剂,得到混合料。
进一步的,步骤S222中,聚偏氟乙烯、有机溶剂和造孔剂的质量比为7:150~250:5~15。
进一步的,步骤S222中,造孔剂为正丁醇、乙二醇、尿素、柠檬酸或碳酸铵。
进一步的,步骤S222中的有机溶剂为丙酮或N-甲基-2-吡咯烷酮。
步骤S224:在第一混合物层和第二混合物层上分别涂覆混合料,经干燥去除有机溶剂和造孔剂,分别得到第一有机物层和第二有机物层。
进一步的,第一有机物层的厚度为1微米~5微米。
进一步的,第二有机物层的厚度为1微米~5微米。
步骤S230:将正极、隔膜及负极依次贴合组装后浸泡于电解液中,得到锂离子电池。
进一步的,还包括正极的制备步骤,正极由以下步骤制备:将正极粘结剂溶解于正极溶剂中,得到正极母液,正极母液中的正极粘结剂的质量百分含量为5%~10%;然后在正极母液中加入正极导电剂和改性钴酸锂,得到正极浆料,改性钴酸锂为氧化镁和氧化锆中的一种包裹的镁或铝掺杂的钴酸锂;接着,将正极浆料涂覆于正极集流体上,经干燥,得到正极。
其中,正极粘结剂为聚偏氟乙烯;正极导电剂为碳纳米管;正极溶剂为N-甲基吡咯烷酮。
其中,改性钴酸锂通过如下方法制备得到:将硝酸钴、硝酸锂和硝酸盐按照质量比为1:1:0.1~0.5溶解于质量百分浓度为40%~60%的柠檬酸的水溶液中,得到溶胶,其中,硝酸盐为硝酸铝或硝酸镁;然后将上述溶胶于100~120℃烘干,得到凝胶,经研磨后,于800~900℃下烧结10~12小时,得到掺杂钴酸锂;再将聚丙烯酸溶解于去离子水中,得到聚丙烯酸的水溶液,在该聚丙烯酸的水溶液中加入碳酸盐,得到透明溶液,其中,透明溶液中的羧基与碳酸盐中的阳离子的摩尔比为2.4~2.5:1.0,碳酸盐为碳酸镁或碳酸锆;按照掺杂钴酸锂中的锂和碳酸盐中的阳离子的摩尔比为1:0.002~0.005,将掺杂钴酸锂加入上述透明溶液中,得到浆状物;接着,于60~70℃除去水和聚丙烯酸,再于在500~600℃烘烤10~12小时,得到改性钴酸锂,即为上述氧化镁和氧化锆中的一种包裹的镁或铝掺杂的钴酸锂。
进一步的,正极活性材料、正极粘结剂和正极导电剂的质量百分比为93~99:0.5~5:0.5~2。
具体的,正极集流体可以为本领域常用的集流体。在本实施例中,正极集流体优选为铝箔。
进一步的,还包括负极的制备步骤,负极由以下步骤制备:将增稠剂溶解于负极溶剂中,得到负极母液,在负极母液中加入负极导电剂、负极活性材料及负极粘结剂,得到负极浆料。其中,负极母液中的增稠剂的质量百分含量为0.5%~5%。然后,将负极浆料涂覆于负极集流体上,经干燥,得到负极。
负极活性材料选自天然石墨、人造石墨和硅碳复合材料中的至少一种;负极导电剂选自导电碳纤维、导电石墨、导电炭黑、碳纳米管、石墨烯和乙炔黑中的至少一种;负极粘结剂选自聚氧乙烯和丁苯橡胶中的一种;增稠剂为羧甲基纤维素钠。其中,负极溶剂为水。
进一步的,增稠剂、负极活性材料、负极粘结剂及负极导电剂的质量百分比为0.5~5:88~98:1.0~5:0.5~2。
其中,负极集流体为铜箔。
其中,电解液包括电解质、溶剂、成膜剂及过充添加剂。其中,电解质为LiPF6、LiN(SO2CF3)2和LiBOB中的至少一种;溶剂为碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸二甲酯(DMC)和碳酸甲乙酯(EMC)中的至少两种;成膜剂选自碳酸亚乙烯酯(VC)、氟代碳酸乙烯酯(FEC)、亚硫酸丙烯酯(PS)和碳酸乙烯亚乙酯(VEC)中的至少一种;过充添加剂选自联苯(BP)和环己基苯(CHB)中的至少一种。该电解液能够保证锂离子电池在大于或者等于4.35V的电压下不会分解。
进一步的,在电解液中,电解质的体积百分浓度为0.5%~1.5%。
进一步的,在电解液中,成膜剂的体积百分浓度为0.01%~2%;过充添加剂的体积百分浓度为0.01%~2%。
上述锂离子电池的制备方法操作简单,无需对设备等资源进行研发投资,无需更换制备设备,易于实现工业化,具有良好的应用前景。
一种锂离子电池的充电方法,将上述锂离子电池先恒流充电至终止电压为4.2~4.4V,再恒压充电至终止电流为0~0.02C。
上述锂离子电池的充电方法能够减少锂离子电池的极化,保证锂离子电池充满电。
以下为具体实施例部分:
实施例1
本实施例的锂离子电池的制备步骤如下:
(1)正极的制备:
首先,制备改性钴酸锂:将硝酸钴、硝酸锂和硝酸镁按照质量比为1:1:0.2溶解于质量百分浓度为50%柠檬酸的水溶液中,得到溶胶;然后将上述溶胶于100℃烘干,得到凝胶,经研磨后,于860℃下烧结12小时,得到镁掺杂的钴酸锂;再将聚丙烯酸溶解于去离子水中,得到聚丙烯酸的水溶液,在该聚丙烯酸的水溶液中加入碳酸镁,得到透明溶液,其中,透明溶液中的羧基与碳酸镁中的镁元素的摩尔比为2.5:1;按照镁掺杂的钴酸锂中的锂和碳酸镁中的镁元素的摩尔比为1:0.004,将镁掺杂的钴酸锂加入透明溶液中,得到浆状物;接着,于70℃除去水和聚丙烯酸,再于在580℃烘烤11小时,得到氧化镁包裹的镁掺杂的钴酸锂,即得到改性钴酸锂。
然后,将聚偏氟乙烯溶解于N-甲基吡咯烷酮中,得到正极母液,其中,正极母液中的聚偏氟乙烯的质量百分含量为5%,然后按照聚偏氟乙烯、改性钴酸锂及碳纳米管的质量百分比为0.5:98.5:1,在母液中加入碳纳米管和改性钴酸锂,得到正极浆料;将正极浆料涂覆于厚度为14微米的铝箔上,然后经100℃烘干,并碾压至厚度为130微米,裁剪,得到正极,并在正极的表面焊接铝引线。
(2)负极的制备:将羧甲基纤维素钠溶剂于水中,得到负极母液,且负极母液中的羧甲基纤维素钠的质量百分含量为0.5%,然后按照羧甲基纤维素钠、天然石墨、导电炭黑及丁苯橡胶的质量比为5:88:2:5,在负极母液中加入天然石墨、导电炭黑及丁苯橡胶,得到负极浆料;将负极浆料涂覆于厚度为8微米的铜箔上,经100℃烘干,碾压至厚度为130微米,裁剪,得到负极,在负极的表面焊接镍引线。
(3)隔膜的制备:
将聚偏氟乙烯溶解于丙酮中,得到质量百分浓度为3%的聚偏氟乙烯的有机溶液,在有机溶液中加入氧化铝,且氧化铝与聚偏氟乙烯的质量比为5:1,得到混合浆料,在PE基体的相对的两个表面分别涂覆混合浆料,经50℃干燥去除丙酮,分别得到第一混合物层和第二混合物层,且第一混合物层的厚度为1微米,第二混合物层的厚度为1微米。
按照聚偏氟乙烯、丙酮和正丁醇的质量比为7:200:10,将聚偏氟乙烯溶解于丙酮中,并加入正丁醇,得到混合料。在第一混合物层和第二混合物层上分别涂覆混合料,经50℃干燥,去除丙酮和正丁醇,分别得到第一有机物层和第二有机物层。第一有机物层的厚度为2微米,第二有机物层的厚度为2微米。
(4)将正极、隔膜及负极依次贴合,卷绕成电池芯,经组装,注入电解液,使正极、隔膜及负极浸泡于电解液中,再经封口、清洗、活化、化成、老化和分容,得到锂离子电池。其中,电解液的电解质为LiPF6,体积百分浓度为0.5%;溶剂为EC和DMC;成膜剂为VC,体积百分浓度为0.01%;过充添加剂为BP,体积百分浓度为1%。
将锂离子电池先恒流充电至终止电压为4.35V,再恒压充电至终止电流为0.01C,使锂离子电池充满电。
对本实施例的锂离子电池的性能进行测试:
将充满电的锂离子电池再以0.5C恒流放电至3V测试本实施例的锂离子电池的的容量。
使用广州擎天实业有限公司的BS-VR电池内阻测试仪内阻仪测试锂离子电池的内阻。
测试锂离子电池循环300周后的容量保持率,测试条件为:在环境温度15~35℃,湿度45%~75%RH的条件下,0.5C恒流放电至3V后,以0.5C恒流充电至4.35V,恒压充电至终止电流为0.02C,再以0.5C恒流放电至3V,重复循环300次。
按照上述充电方法测试电池的针刺实验通过合格率。
穿刺强度测试:按照标准ASTMD4833-07规定的方法进行测试,测头直径1mm,对准中间位置,并将锂离子电池固定在夹具上,确保锂离子电池在各个方向延伸到或者超过夹紧盘的边缘,确认锂离子电池完全固定于环状夹具之上,无打滑现象。测试时,机器的速度设定为300±10mm/min直到穿刺棒完全使试样破裂,在测试过程中,穿刺强度为所记录的最大刺穿阻力。
本实施例的锂离子电池的内阻、容量、300周循环后的容量保持率、针刺合格率及隔膜的穿刺强度,见表1。
实施例2
本实施例的锂离子电池的制备步骤如下:
(1)正极的制备:
首先,制备改性钴酸锂:将硝酸钴、硝酸锂和硝酸铝按照质量比为1:1:0.3溶解于质量百分浓度为50%柠檬酸的水溶液中,得到溶胶;然后将上述溶胶于110℃烘干,得到凝胶,经研磨后,于850℃下烧结11小时,得到铝掺杂的钴酸锂;再将聚丙烯酸溶解于去离子水中,得到聚丙烯酸的水溶液,在该聚丙烯酸的水溶液中加入碳酸锆,得到透明溶液,其中,透明溶液中的羧基与碳酸锆中的锆元素的摩尔比为2.4:1;按照铝掺杂的钴酸锂中的锂和碳酸锆中的锆元素的摩尔比为1:0.003,将铝掺杂的钴酸锂加入透明溶液中,得到浆状物;接着,于65℃除去水和聚丙烯酸,再于在550℃烘烤11小时,得到氧化锆包裹的铝掺杂的钴酸锂。
将聚偏氟乙烯溶解于N-甲基吡咯烷酮中,得到正极母液,其中,正极母液中的聚偏氟乙烯的质量百分含量为10%,然后按照聚偏氟乙烯、改性钴酸锂及碳纳米管的质量百分比为5:93:2,在母液中加入导电剂和改性钴酸锂,得到正极浆料;将正极浆料涂覆于厚度为14微米的铝箔上,然后经100℃烘干,并碾压至厚度为130微米,裁剪,得到正极,并在正极的表面焊接铝引线。
(2)负极的制备:将羧甲基纤维素钠溶剂于水中,得到负极母液,且负极母液中的羧甲基纤维素钠的质量百分含量为5%,然后按照羧甲基纤维素钠、人造石墨、导电剂及丁苯橡胶的质量比为0.5:98:0.5:1,在负极母液中加入人造石墨、导电剂及丁苯橡胶,得到负极浆料,其中,导电剂为导电碳纤维和导电石墨;将负极浆料涂覆于厚度为8微米的铜箔上,经100℃烘干,碾压至厚度为130微米,裁剪,得到负极,在负极的表面焊接镍引线。
(3)隔膜的制备:
将聚偏氟乙烯溶解于N-甲基-2-吡咯烷酮中,得到质量百分浓度为5%的聚偏氟乙烯的有机溶液,在有机溶液中加入氧化铝,且氧化锆与聚偏氟乙烯的质量比为15:1,得到混合浆料,在PE基体的相对的两个表面分别涂覆混合浆料,经干燥去除N-甲基-2-吡咯烷酮,分别得到第一混合物层和第二混合物层,且第一混合物层的厚度为5微米,第二混合物层的厚度为5微米。
按照聚偏氟乙烯、丙酮和乙二醇的质量比为7:150:15,将聚偏氟乙烯溶解于丙酮中,并加入乙二醇,得到混合料。在第一混合物层和第二混合物层上分别涂覆混合料,经50℃干燥,去除丙酮和乙二醇,分别得到第一有机物层和第二有机物层。第一有机物层的厚度为1微米,第二有机物层的厚度为1微米。
(4)将正极、隔膜及负极依次贴合,卷绕成电池芯,经组装,注入电解液,使正极、隔膜及负极浸泡于电解液中,再经封口、清洗、活化、化成、老化和分容,得到锂离子电池。其中,电解液的电解质为LiN(SO2CF3)2,体积百分浓度为1.5%;溶剂为PC和DMC;成膜剂为VC和PS,成膜剂的体积百分浓度为0.01%;过充添加剂为CHB和BP,体积百分浓度为2%。
(5)将锂离子电池先恒流充电至终止电压为4.4V,再恒压充电至终止电流为0C。
本实施例的锂离子电池的内阻、容量、300周循环后的容量保持率以及合格率,见表1。
实施例3
本实施例的锂离子电池的制备步骤如下:
(1)正极的制备:
首先,制备改性钴酸锂:将硝酸钴、硝酸锂和硝酸铝按照质量比为1:1:0.5溶解于质量百分浓度为60%柠檬酸的水溶液中,得到溶胶;然后将溶胶于100℃烘干,得到凝胶,经研磨后,于900℃下烧结10小时,得到铝掺杂的钴酸锂;再将聚丙烯酸溶解于去离子水中,得到聚丙烯酸的水溶液,在上述聚丙烯的水溶液中加入碳酸镁,得到透明溶液,其中,透明溶液中的羧基与碳酸镁中的镁元素的摩尔比为2.4:1;按照铝掺杂的钴酸锂中的锂和碳酸镁中的镁元素的摩尔比为1:0.005,将铝掺杂的钴酸锂加入透明溶液中,得到浆状物;接着,于70℃除去溶剂,再于在500℃烘烤10小时,得到氧化镁包裹的铝掺杂的钴酸锂。
将聚偏氟乙烯溶解于N-甲基吡咯烷酮中,得到正极母液,其中,正极母液中的聚偏氟乙烯的质量百分含量为8%,然后按照聚偏氟乙烯、改性钴酸锂及碳纳米管的质量百分比为0.5:99:0.5,在母液中加入碳纳米管和改性钴酸锂,得到正极浆料;将正极浆料涂覆于厚度为14微米的铝箔上,然后经100℃烘干,并碾压至厚度为130微米,裁剪,得到正极,并在正极的表面焊接铝引线。
(2)负极的制备:将羧甲基纤维素钠溶剂于水中,得到负极母液,且负极母液中的羧甲基纤维素钠的质量百分含量为5%,然后按照羧甲基纤维素钠、硅碳复合材料、导电剂及聚氧乙烯的质量比为2:94:1:3,在负极母液中加入硅碳复合材料、导电剂及聚氧乙烯,得到负极浆料,其中,导电剂为是石墨烯、乙炔黑、导电碳纤维和导电石墨;将负极浆料涂覆于厚度为8微米的铜箔上,经100℃烘干,碾压至厚度为130微米,裁剪,得到负极,在负极的表面焊接镍引线。
(3)隔膜的制备:
将聚偏氟乙烯溶解于N-甲基-2-吡咯烷酮中,得到质量百分浓度为4%的聚偏氟乙烯的有机溶液,在有机溶液中加入氧化物,且氧化物与聚偏氟乙烯的质量比为10:1,得到混合浆料,其中,氧化物为二氧化钛和氧化铝,在PE基体的相对的两个表面分别涂覆混合浆料,经50℃干燥去除N-甲基-2-吡咯烷酮,分别得到第一混合物层和第二混合物层,且第一混合物层的厚度为1.5微米,第二混合物层的厚度为1.5微米。
按照聚偏氟乙烯、丙酮和尿素的质量比为7:250:5,将聚偏氟乙烯溶解于丙酮中,并加入尿素,得到混合料。在第一混合物层和第二混合物层上分别涂覆混合料,经50℃干燥,去除丙酮和尿素,分别得到第一有机物层和第二有机物层。第一有机物层的厚度为5微米,第二有机物层的厚度为5微米。
(4)将正极、隔膜及负极依次贴合,卷绕成电池芯,经组装,注入电解液,使正极、隔膜及负极浸泡于电解液中,再经封口、清洗、活化、化成、老化和分容,得到锂离子电池。其中,电解液的电解质为LiBOB,体积百分浓度为1%;溶剂为EC、DMC和EMC;成膜剂为VC、FEC和VEC,成膜剂的体积百分浓度为1%;过充添加剂为CHB,体积百分浓度为2%。
(5)将锂离子电池先恒流充电至终止电压为4.2V,再恒压充电至终止电流为0.02C。
本实施例的锂离子电池的内阻、容量、300周循环后的容量保持率、针刺合格率及隔膜的穿刺强度,见表1。
实施例4
本实施例的锂离子电池的制备步骤如下:
(1)正极的制备:
首先,制备改性钴酸锂:将硝酸钴、硝酸锂和硝酸镁按照质量比为1:1:0.1溶解于质量百分浓度为60%柠檬酸的水溶液中,得到溶胶;然后将上述溶胶于120℃烘干,得到凝胶,经研磨后,于800℃下烧结12小时,得到镁掺杂的钴酸锂;再将聚丙烯酸溶解于去离子水中,得到聚丙烯酸的水溶液,在该聚丙烯的水溶液中加入碳酸锆,得到透明溶液,其中,透明溶液中的羧基与碳酸锆中的锆元素的摩尔比为2.5:1;按照镁掺杂的钴酸锂中的锂和碳酸锆中的锆元素的摩尔比为1:0.002,将铝掺杂的钴酸锂加入透明溶液中,得到浆状物;接着,于60℃除去溶剂,再于在600℃烘烤12小时,得到氧化锆包裹的镁掺杂的钴酸锂,即为改性钴酸锂。
将聚偏氟乙烯溶解于N-甲基吡咯烷酮中,得到正极母液,其中,正极母液中的聚偏氟乙烯的质量百分含量为8%,然后按照聚偏氟乙烯、改性钴酸锂及碳纳米管的质量百分比为0.8:98.2:1,在母液中加入碳纳米管和改性钴酸锂,得到正极浆料;将正极浆料涂覆于厚度为14微米的铝箔上,然后经100℃烘干,并碾压至厚度为130微米,裁剪,得到正极,并在正极的表面焊接铝引线。
(2)负极的制备:将羧甲基纤维素钠溶剂于水中,得到负极母液,且负极母液中的羧甲基纤维素钠的质量百分含量为0.5%,然后按照羧甲基纤维素钠、天然石墨、导电剂及丁苯橡胶的质量比为5:88:2:5,在负极母液中加入天然石墨导电剂及丁苯橡胶,得到负极浆料,导电剂为导电石墨、导电炭黑和碳纳米管;将负极浆料涂覆于厚度为8微米的铜箔上,经100℃烘干,碾压至厚度为130微米,裁剪,得到负极,在负极的表面焊接镍引线。
(3)隔膜的制备:
将聚偏氟乙烯溶解于丙酮中,得到质量百分浓度为3%的聚偏氟乙烯的有机溶液,在有机溶液中加入氧化物,且氧化物与聚偏氟乙烯的质量比为5:1,得到混合浆料,其中,氧化物为氧化铝、氧化锆和二氧化钛,在PE基体的相对的两个表面分别涂覆混合浆料,经50℃干燥去除丙酮,分别得到第一混合物层和第二混合物层,且第一混合物层的厚度为2微米,第二混合物层的厚度为2微米。
按照聚偏氟乙烯、N-甲基-2-吡咯烷酮和柠檬酸的质量比为7:200:10,将聚偏氟乙烯溶解于N-甲基-2-吡咯烷酮中,并加入柠檬酸,得到混合料。在第一混合物层和第二混合物层上分别涂覆混合料,经50℃干燥,去除N-甲基-2-吡咯烷酮和柠檬酸,分别得到第一有机物层和第二有机物层。第一有机物层的厚度为1微米,第二有机物层的厚度为1微米。
(4)将正极、隔膜及负极依次贴合,卷绕成电池芯,经组装,注入电解液,使正极、隔膜及负极浸泡于电解液中,再经封口、清洗、活化、化成、老化和分容,得到锂离子电池。其中,电解液的电解质为LiPF6,体积百分浓度为1.15%;溶剂为EC、DMC和EMC;成膜剂为VC、FEC、VEC和PS,体积百分浓度为2%;过充添加剂为BP,体积百分浓度为0.01%。
(5)将锂离子电池先恒流充电至终止电压为4.35V,再恒压充电至终止电流为0.01C。
本实施例的锂离子电池的内阻、容量、300周循环后的容量保持率、针刺合格率及隔膜的穿刺强度,见表1。
实施例5
本实施例的锂离子电池的制备步骤如下:
(1)正极的制备:
首先,制备改性钴酸锂:将硝酸钴、硝酸锂和硝酸镁按照质量比为1:1:0.1溶解于质量百分浓度为40%柠檬酸的水溶液中,得到溶胶;然后将溶胶于120℃烘干,得到凝胶,经研磨后,于800℃下烧结12小时,得到镁掺杂的钴酸锂;再将聚丙烯酸溶解于去离子水中,得到聚丙烯酸的水溶液,在上述聚丙烯的水溶液中加入碳酸锆,得到透明溶液,其中,透明溶液中的羧基与碳酸锆中的锆元素的摩尔比为2.5:1;按照镁掺杂的钴酸锂中的锂和碳酸锆中的锆元素的摩尔比为1:0.002,将铝掺杂的钴酸锂加入透明溶液中,得到浆状物;接着,于60℃除去溶剂,再于在600℃烘烤12小时,得到氧化锆包裹的镁掺杂的钴酸锂,即为改性钴酸锂。
将聚偏氟乙烯溶解于N-甲基吡咯烷酮中,得到正极母液,其中,正极母液中的聚偏氟乙烯的质量百分含量为5%,然后按照聚偏氟乙烯、改性钴酸锂及碳纳米管的质量百分比为0.8:98.2:1,在母液中加入碳纳米管和改性钴酸锂,得到正极浆料;将正极浆料涂覆于厚度为14微米的铝箔上,然后经100℃烘干,并碾压至厚度为130微米,裁剪,得到正极,并在正极的表面焊接铝引线。
(2)负极的制备:将羧甲基纤维素钠溶剂于水中,得到负极母液,且负极母液中的羧甲基纤维素钠的质量百分含量为3%,然后按照羧甲基纤维素钠、天然石墨、碳纳米管及聚氧乙烯的质量比为5:88:2:5,在负极母液中加入天然石墨、碳纳米管及聚氧乙烯,得到负极浆料;将负极浆料涂覆于厚度为8微米的铜箔上,经100℃烘干,碾压至厚度为130微米,裁剪,得到负极,在负极的表面焊接镍引线。
(3)隔膜的制备:
将聚偏氟乙烯溶解于丙酮中,得到质量百分浓度为3%的聚偏氟乙烯的有机溶液,在有机溶液中加入氧化物,且氧化物与聚偏氟乙烯的质量比为5:1,得到混合浆料,其中,氧化物为氧化锆和二氧化钛,在PE基体的相对的两个表面分别涂覆混合浆料,经50℃干燥去除丙酮,分别得到第一混合物层和第二混合物层,且第一混合物层的厚度为2微米,第二混合物层的厚度为2微米。
按照聚偏氟乙烯、N-甲基-2-吡咯烷酮和碳酸铵的质量比为7:200:10,将聚偏氟乙烯溶解于N-甲基-2-吡咯烷酮中,并加入碳酸铵,得到混合料。在第一混合物层和第二混合物层上分别涂覆混合料,经50℃干燥,去除N-甲基-2-吡咯烷酮和碳酸铵,分别得到第一有机物层和第二有机物层。第一有机物层的厚度为1微米,第二有机物层的厚度为1微米。
(4)将正极、隔膜及负极依次贴合,卷绕成电池芯,经组装,注入电解液,使正极、隔膜及负极浸泡于电解液中,再经封口、清洗、活化、化成、老化和分容,得到锂离子电池。其中,电解液的电解质为LiPF6,体积百分浓度为1.15%;溶剂为EC、DMC、PC和EMC;成膜剂为VC、FEC、VEC和PS,体积百分浓度为1.5%;过充添加剂为BP,体积百分浓度为1%。
(5)将锂离子电池先恒流充电至终止电压为4.35V,再恒压充电至终止电流为0.01C。
本实施例的锂离子电池的内阻、容量、300周循环后的容量保持率、针刺合格率及隔膜的穿刺强度,见表1。
对比例1
与实施例1的锂离子电池大致相同,区别在于正极活性物质为钴酸锂,负极采用石墨电极,隔膜为常规的PE隔膜,电解液为常规电解液(电解质为LiPF6,体积百分浓度为0.5%,溶剂为EC和DMC),并将对比例1的锂离子电池先恒流充电至终止电压为4.35V,再恒压充电至终止电流为0.01C。
对比例1的锂离子电池的内阻、容量、300周循环后的容量保持率、针刺合格率及隔膜的穿刺强度,见表1。
对比例2
与实施例1的锂离子的电池大致相同,区别在于隔膜包括层叠的第一有机物层、PE基体和第二有机物层。并将对比例2的锂离子电池先恒流充电至终止电压为4.35V,再恒压充电至终止电流为0.01C。
对比例2的锂离子电池的内阻、容量、300周循环后的容量保持率、针刺合格率及隔膜的穿刺强度,见表1。
对比例3
与实施例1的锂离子的电池大致相同,区别在于隔膜包括层叠的第一混合物层、PE基体和第二混合物层。并将对比例3的锂离子电池先恒流充电至终止电压为4.35V,再恒压充电至终止电流为0.01C。
对比例2的锂离子电池的内阻、容量、300周循环后的容量保持率、针刺合格率及隔膜的穿刺强度,见表1。
表1表示的实施例1~实施例5的锂离子电池以及对比例1~对比例3的锂离子电池的内阻、容量、300周循环后的容量保持率、针刺合格率及隔膜的穿刺强度。
表1
从表1中可以看出,实施例1~实施例5的锂离子电池的内阻最多为48.1mΩ,循环300周的容量保持率至少为88%,针刺合格率至少为93%。隔膜的穿刺强度至少为620gf。
且实施例1的锂离子电池的内阻为48.1mΩ,容量为3029mAh,循环300周后的容量保持率为93.4%,针刺合格率为93%,隔膜穿刺强度为620gf,而对比例1~对比例3的锂离子电池的内阻最少为50mΩ,容量最多为2970mAh,循环300周的容量保持率最多为82.5%,针刺合格率最多为90%,隔膜的穿刺强度最大为350gf,均不如实施例1的锂离子电池。虽然,对比例2和对比例3的锂离子电池的性能与对比例1相比得到了提高,但是实施例1的锂离子电池的性能与对比例2和对比例3相比,实施例1的锂离子电池的性能得到了更进一步的提高。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (1)
1.一种锂离子电池的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)正极的制备:
首先,制备改性钴酸锂:将硝酸钴、硝酸锂和硝酸镁按照质量比为1:1:0.1溶解于质量百分浓度为60%柠檬酸的水溶液中,得到溶胶;然后将上述溶胶于120℃烘干,得到凝胶,经研磨后,于800℃下烧结12小时,得到镁掺杂的钴酸锂;再将聚丙烯酸溶解于去离子水中,得到聚丙烯酸的水溶液,在该聚丙烯酸的水溶液中加入碳酸锆,得到透明溶液,其中,透明溶液中的羧基与碳酸锆中的锆元素的摩尔比为2.5:1;按照镁掺杂的钴酸锂中的锂和碳酸锆中的锆元素的摩尔比为1:0.002,将镁掺杂的钴酸锂加入透明溶液中,得到浆状物;接着,于60℃除去溶剂,再于600℃烘烤12小时,得到氧化锆包裹的镁掺杂的钴酸锂,即为改性钴酸锂;
将聚偏氟乙烯溶解于N-甲基吡咯烷酮中,得到正极母液,其中,正极母液中的聚偏氟乙烯的质量百分含量为8%,然后按照聚偏氟乙烯、改性钴酸锂及碳纳米管的质量百分比为0.8:98.2:1,在母液中加入碳纳米管和改性钴酸锂,得到正极浆料;将正极浆料涂覆于厚度为14微米的铝箔上,然后经100℃烘干,并碾压至厚度为130微米,裁剪,得到正极,并在正极的表面焊接铝引线;
(2)负极的制备:将羧甲基纤维素钠溶剂于水中,得到负极母液,且负极母液中的羧甲基纤维素钠的质量百分含量为0.5%,然后按照羧甲基纤维素钠、天然石墨、导电剂及丁苯橡胶的质量比为5:88:2:5,在负极母液中加入天然石墨、导电剂及丁苯橡胶,得到负极浆料,导电剂为导电石墨、导电炭黑和碳纳米管;将负极浆料涂覆于厚度为8微米的铜箔上,经100℃烘干,碾压至厚度为130微米,裁剪,得到负极,在负极的表面焊接镍引线;
(3)隔膜的制备:
将聚偏氟乙烯溶解于丙酮中,得到质量百分浓度为3%的聚偏氟乙烯的有机溶液,在有机溶液中加入氧化物,且氧化物与聚偏氟乙烯的质量比为5:1,得到混合浆料,其中,氧化物为氧化铝、氧化锆和二氧化钛,在PE基体的相对的两个表面分别涂覆混合浆料,经50℃干燥去除丙酮,分别得到第一混合物层和第二混合物层,且第一混合物层的厚度为2微米,第二混合物层的厚度为2微米;按照聚偏氟乙烯、N-甲基-2-吡咯烷酮和柠檬酸的质量比为7:200:10,将聚偏氟乙烯溶解于N-甲基-2-吡咯烷酮中,并加入柠檬酸,得到混合料,在第一混合物层和第二混合物层上分别涂覆混合料,经50℃干燥,去除N-甲基-2-吡咯烷酮和柠檬酸,分别得到第一有机物层和第二有机物层,第一有机物层的厚度为1微米,第二有机物层的厚度为1微米;
(4)将正极、隔膜及负极依次贴合,卷绕成电池芯,经组装,注入电解液,使正极、隔膜及负极浸泡于电解液中,再经封口、清洗、活化、化成、老化和分容,得到锂离子电池,其中,电解液的电解质为LiPF6,体积百分浓度为1.15%;溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯;成膜剂为碳酸亚乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、碳酸乙烯亚乙酯和亚硫酸丙烯酯,体积百分浓度为2%;过充添加剂为联苯,体积百分浓度为0.01%;
(5)将锂离子电池先恒流充电至终止电压为4.35V,再恒压充电至终止电流为0.01C。
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